信号通路如何在多层PCB上工作

在印刷电路板设计中，为什么要尽可能使用接地平面？接地平面降低了信号返回路径的电感。这反过来又将瞬时接地电流产生的噪声降至最低。本文将讨论信号通路如何在多层PCB上工作以及返回通路电感的概念。

信号选择阻抗最小路径

考虑一个双层电路板，如图1所示。底层是接地层，电流源连接到顶层的U形迹线。顶层迹线通过VIA1和VIA2连接到底层。

图1.图片由AnalogDevices提供。

首先，如图2所示，将DC电流注入顶层迹线。

图2.图像由AnalogDevices提供。

电流沿着U形迹线下降。然后，通过VIA1到达地平面。地平面的哪一部分将电流传回VIA2？可以将地平面设想为无限多平行的窄轨迹。电流将选择具有相对较小阻抗的迹线。由于从VIA1到VIA2的直接路径最短并且电阻最小，因此大部分电流将流过该路径。当离开这条阻力最小的路径时，电流密度会迅速下降。假设将交流电流注入U形迹线。它会采用直流电流的相同路径吗？

直流电流采用阻抗最小（或电阻最小）的路径。对于AC电流，阻抗取决于路径的电阻和电感。虽然最短路径提供最小电阻，但它不一定提供最小电感。路径的电感取决于电流产生的环路面积。图3显示了信号跟踪及其返回路径创建的示例电流环路。如果由电流产生的环路面积增加，则电感将按比例增加。

图3.图片由AnalogDevices提供。

例如，图4中的红色返回路径创建的循环比绿色路径更大。因此，在这两条路径之间，AC电流通过绿色路径，其具有较小的电感。对于路径的总阻抗，实际上应该考虑电阻和电感。然而，随着AC信号的频率增加，电感对路径阻抗的贡献大于电阻的数量级。因此，如图4所示，高频返回电流将直接在U形迹线下方流动，以最小化环路面积（为简单起见，忽略了路径电阻）。当离开地平面中的这条路径时，电流密度将迅速降低。

图4.图像由AnalogDevices提供

对于上面的例子，我们有一个地平面，可以设想为无限多的窄平行路径。返回电流流过那些使阻抗最小化的路径。使用双层电路板，我们负担不起接地层。在这种情况下，可能有一条轨道（而不是一个平面）用于返回电流。即使电流可能表现出很大的电感，也要强制电流经过这条路径。对于双层电路板的一些关键信号走线（例如时钟信号），我们可以路由适当的返回路径，但我们不能对电路板上的所有迹线执行此操作。如何降低双面电路板上所有迹线的电流路径电感？我们将很快讨论双层板的高效地面系统。
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